CDIO教学大纲及特点.ppt

CDIO教学大纲及特点,汕头大学沈民奋教授,三个核心问题：当代社会需要培养什么样的工科毕业生？工科毕业生应掌握怎样的知识(Knowledge,Skill,Attitude)、能力和态度？其水平应达到什么样的程度？换句话说，工程教育所希望得到的教学效果(LearningOutcome)是什么呢？由此提出CDIO教学大纲（Syllabus）。,近代工程教育告诉我们：工程教育有其本身的要求，作为大学的教育工作者，我们有责任向学生传授广泛的学科知识。工程师必须具备广泛的个人能力、人际沟通能力以及产品、过程及系统的构建能力，这些能力保证学生在实际的社会和企业背景环境(Context)下的团队工作中发挥重要作用。,CDIO工程教育模式（Initiative）为我们提供了一种新的教育方法，有助于解决工程教育普遍存在的问题，并可满足学生和社会的需求。其特点是：第一次全面描述了现代工程师所需的知识、能力及态度的完整内容，即我们希望获得的教学效果。,CDIO教学大纲的发展过程：1教学大纲（Syllabus）工程教育所需的重要文件，也是对教学效果（LearningOutcome）的全面描述。2制定过程通过列出一整套工科毕业生应具备的各种知识、能力与态度，由此获得现代工程教育改革的解决方案。3主要特点这些知识和能力的主题内容(Topics)具有通用化的特点，可用于各个工程领域；而且非常详细，可为制定课程计划和评估教学效果真正发挥作用。,再考虑前面提到的一个核心问题：工科毕业生应掌握怎样的知识、能力和态度？可由在校生、教师、职工、校友及工业界等与工程教育的直接相关者（Stakehold）对一系列教学效果提出他们的需求。所以，需要有完整的学习效果，另外，还要请工程教育的直接相关者参与并明确对学生所要求的知识与能力。,工程知识和能力早在19世纪到20世纪中期，工科教育本来就是基于工程实践的。到了20世纪后半叶，工程教育与工程实践相互脱节的情况越来越严重，工程科学逐渐成为工科院校的主流文化，工程教育经历了从工程实践到工程科学的发展过程。后来工程界体会到这些问题的严重性，第一次提出开发新的方法：将工程科学与工程实践进行优化整合。所以，我们必须对现代工程实践的需求进行深入的研究。过去十年，国外许多大学和企业一直在努力，希望尽快缩小工程教育与工程实践之间的距离，不少大的现代企业（如Boeing公司）就公布了他们所期望的毕业生的个人品质（Attributes），同时，工业界也希望对工程师的资格能够形成新的共识。,也许有人会问：这些要求是否只适用于美国？或只适用于某一工程领域？还是只适用于过去的十年？例如，世界化学工程委员会根据工科毕业生所需具备的重要能力，列出了2004年工程毕业生的明显不足之处，如下表。,工科毕业生在能力方面存在的明显不足之处工作中最重要的能力教育在能力培养方面最大的不足之处在团队中有效地工作商业途径分析信息管理能力有效沟通项目管理方法搜集信息保证质量的方法自学有效进行沟通的能力市场原则的知识道德和职业责任,如果与Boeing公司的列表及美国工程与技术认证委员会ABETEC2000标准进行比较，并与五十年来的其他资料相比较。可以发现：许多大的现代企业，他们对年轻工程师所需的品质有着惊人的相似之处。企业界要求工程师所需具备的知识、能力和态度主要包括：1-了解工程基础、工程设计和工程制造过程；2-具有工程实践的背景；3-具有批判性思维和创造性思维、沟通能力与团队工作能力。鉴于这些共性，美国专业团体开始修定认证标准，其他工业化国家也发起了类似的工程教育改革。尽管这些出发点都是好的，但大部分改革并没有对最初人们所期待的教育产生根本性的影响。,Boeing公司的列出的工程师所需理想的特质,良好理解工程科学基础数学（包括统计学），物理和生命科学信息技术（远多于计算机扫盲）良好理解设计和制造的过程具有多学科、系统视角对工程实践的背景环境的基本了解经济（包括企业实践）历史环境顾客和社会的需求良好的交流能力书写、口头、图表、倾听高职业道德标准批判性和创造性的思维-无论是独立还是合作环境下适应性，即适应快速或重大变化的能力和自信好奇心和终身学习能力深刻理解团队合作的重要性,呼唤合理而详细的教学大纲,以上列出的能力需求，是一个工程师所需的品质，但仍不够合理和详细。基于此，需要重新对现有的需求进行规范，由此创立CDIO培养模式（Initiative）。努力的起点就是重新对工程教育的现有能力需求进行系统的论述，结论是：每个工科毕业生都应具备在团队合作的现代工程环境背景中，能够构思、设计、实现和运行复杂的具有附加值的工程产品、过程及系统。换句话说：需要把构思设计实现运行（CDIO）作为工程教育的环境背景（Context,notContent），由此获得一系列详细而合理的教学目标和教学效果。,1-CDIO教学大纲，就是要建立一个清晰、完整、系统和详细的工程教育目标，使工科老师能够理解并予以实现，这些目标已成为我们合理设计课程计划和进行评估的重要基础。2-根据工程师的职能而制定的CDIO大纲，实际上并没有弱化工程科学或工程研究的作用。恰恰相反，工程科学已成为工程教育的重要基础，而且工程研究还为工程教育带来了新的知识。我们的培养目标是：通过CDIO培养过程使绝大多数的学生成为合格的工程师，其实，这一点在MIT表现得非常突出，值得借鉴。3-无论学生最后成为工程师还是工程研究人员，都必须让他们在学校的4年里经历系统及产品的CDIO全过程实践，这对于增强他们的工作阅历和背景是极为重要的。,CDIO教学大纲CDIO教学大纲提出了一系列关于知识、能力及态度的主题内容，这些内容与当代工程实践标准是一致的。其特点是：(1)包含所有的能力需求内容.(2)由多个领域的专家评审通过.教学大纲的主要价值：可用于各种不同的工科专业，并可作为一个通用模型，指导我们获得所期待的教学效果和培养目标。前面已经提及：要把知识、能力和态度作为工程教育的结果。那么，教学效果就应该纳入到CDIO教学大纲中。这些教学效果必须在工科专业计划中具体说明：当工科学生毕业时，应掌握什么？他们能做什么？这些问题应该在大纲中得到全面的体现。,教学大纲除了对技术学科知识（第1部分）的教学效果进行说明外，还特别强调个人能力(Personal)、人际协调能力(Interpersonal)、产品、过程及系统构建能力等方面的教学效果。个人的学习效果（第2部分）主要集中在学生个人的认知与感情的发展上，包括工程推理和解决问题能力、实验能力与知识探索能力、系统思维能力、创造性思维能力、批判性思维能力以及职业道德等方面。人际协调能力的学习效果（第3部分）主要集中在个人与团体之间的互动(Interact)上，如团队工作能力、领导能力和沟通能力等。产品、过程和系统的构建能力(BuildingSkill)（第4部分）则强调在企业、商业和社会环境中，对产品、过程和系统进行构思、设计、实现与运行的能力。,CDIO教学大纲的内容和结构目标：1.建立一个基本原理清晰的结构。2.获得一个合理的高级目标集。3.提供清晰、完整和系统的主题集，可以实现和评估。大纲的出发点是：工程师为改善人类生活而构建产品、过程和系统。为使学生更好地进入当代工程职业领域，必须具备一个工程师的基本功能应能够在现代的团队环境中去构思-设计-实现-运作复杂的且具有附加值的工程产品、过程和系统。另外，还期望他们成为具有独立思考能力的成熟的个体。,CDIO教学大纲的内容和结构如图所示，反映了CDIO教学大纲的第一层内容与关系。总的期望直接反映在教学大纲的第一层，包括四个方面的要求毕业生要掌握一整套个人与职业方面的能力和品质，其核心内容就是实践能力。其次，为了开发复杂的具有附加值的产品或工程系统，学生必须掌握必要的技术知识和推理能力。第三，为了能够在现代团队的环境中开展工作，必须培养学生的团队工作和人际沟通能力。最后，为了能够创建并运行产品、过程和系统，学生需要了解在社会和企业环境中进行系统的构思、设计、实现及运作。,图中给出了大纲的第一层中“1技术知识和推理”下面的第二层具体内容及其关系。现代工程基于“基础科学知识(1.1)”。“核心工程基础知识(1.2)”则是基于核心科学的，“高级工程基础知识(1.3)”使学生拥有实际工作所必备的能力。把技术知识和推理能力放在教学大纲的最前面，目的是提醒人们技术基础知识的深层应用是工程教育的基本目标。教学大纲中保留了包括工科毕业生所需的所有知识、能力和态度这三部分的内容。另外，大纲尽量对所有的专业使用明确的术语，以便在不同的工程领域的具体应用时，可对这些术语进行转译和解释。CDIO教学大纲：技术知识和推理的第2层关系,下图给出了“2.个人能力、职业技能和职业道德”与“3.人际协调能力”的第二层内容及关系：,大纲（2.1,2.2,2.3）表示了工程师用得最多的三种思维模式【1】工程推理和问题解决(2.1)，【2】实验与知识探寻(2.2)和【3】系统思维(2.3)。这三种思维模式也称为工程思维、科学思维和系统思维。每种思维模式可以进一步细化为问题的表达、思维过程和问题的解决。大纲(2.5)职业能力和职业道德包括：工程实际中的职业计划和终身学习所需的职业操守、职业行为以及能力与态度。大纲(2.4)个人能力和态度包括：一般的性格特征，这些性格特征是指一个人的进取心、坚定不移、创造性、批评性思维、自知之明、好奇心、终身学习能力和时间管理能力。人际协调能力（Teamwork）分成三个重叠的子集：多学科团队工作(3.1)，沟通(3.2)和外语交流(3.3)。团队工作是指形成技术团队，使之运作和成长，并领导该团队。沟通能力则包括设计出交流策略和构架，并能使用包括书面交流，口头交流，图形描述和电子化手段等四种基本沟通模式。外语交流指的是传统的外语学习能力，并能够应用在特定的技术交流中。,下图显示：在企业和社会环境中，“4构思、设计、实现及运作系统”的框架。该图说明了开发一个产品、过程或系统的四个阶段：构思与建造系统(4.3)，设计(4.4)，实现(4.5)和运作(4.6)。这些名词可用硬件、软件、系统和过程工业四个方面来进行描述。“构思”是指从市场定位或通过高级概念设计选择机会这一过程，同时还包括开发与项目管理。“设计”则包括设计过程，以及学科、多学科和多目标设计等方面。“实现”包括硬件与软件实现过程、测试与证明、以及实现过程的设计和管理。“运作”包含了从设计和运作管理，再到支持产品、过程与系统的生命周期和改进，最后到生命周期终结的规划等多方面问题。,在企业和商业环境中(4.2)，工程师必需懂得有效进行产品、过程和系统的创建与运作。在任何类型和规模的企业中，工程师需要具备能够理解企业文化和发展战略的能力，并且懂得以一名企业家的方式发挥作用。同样，企业也是在一个更大的外部与社会环境中(4.1)生存。这方面的知识和能力包括对社会与工程之间关系的认识，以及对广泛的历史、文化和全球情况的了解。大纲的构思、设计、实现和运作,显然，CDIO教学大纲的前两层构成为：第一层反映了工程师的职能：工程师作为一个训练有素的个体，参与企业的工作过程，目的是构建产品、过程和系统。第二层对第一层内容进行细化，反映了当代工程专业的实践与学术方面的内容。教学大纲还分别细化到第三层和第四层。这些细化的层级须从高级目标转换成可讲授和可评估的学习效果。这种详细的教学大纲对工科教师来说会有许多好处。细节部分可使我们深刻理解大纲的内容和教学效果，并科学地将这些能力要求整合到课程计划中去，由此制定教学与评估的规划。（详细的大纲见下发的小本子）,CDIO教学大纲的合理性制定详细的教学大纲内容，需要考虑：1在产品开发中用户需求的因素；2关于学术研究方面的其它技术因素。为了保证教学大纲适用于所有工程领域，参与专门小组讨论的成员应具有不同的工程背景。还要向这些小组提出以下问题：“什么才是一个工科毕业生应具备的具体的知识结构、能力和态度？”这些原文件材料代表了工业界、政府和高等学校对大学毕业生所期待的目标。包括前面所述的ABETEC2000标准，Boeing提出的工程师品质，以及MIT的其他相关文件等。,为确保大纲的全面性，对大纲内容与其他材料进行某些比较：ABETEC2000-3标准的11项指定的品质1具备应用数学和理工科知识的能力。2具备设计和指导实验，并对实验数据进行分析和解释的能力。3具备设计一个系统或系统组成的要素、或过程，以满足现实需要的能力。4具备在多学科团队中发挥作用的能力。5具备够鉴别、阐述和解决工程问题的能力。6能够理解职业和道德责任。7具备有效进行沟通的能力。8在全球社会背景下，扩大教育需要以理解工程问题解决办法的影响。9具备认识到社会需求，参与实践和终身学习的能力。10具有关于当代问题的相关知识。11具备在工程实践中使用技术，技能和现代工程工具的能力。,CDIO大纲的特点和优点将CDIO大纲与ABETEC2000标准3进行比较，结论是：CDIO教学大纲有明显优势，大纲比标准3组织得更合理，大纲是从现代工程的功能方面产生的。另外，它比ABET文件更详细，并形成各层内容。大纲中每个细节部分都给出实质性的意思。最后，大纲还定义了一些可测试的目标，这些目标对课程计划的设计和评估都很重要。,职业类型所需的一般能力下面将工程师在五个不同的职业类型所需的一般能力进行对比。所有职业类型所需的一般能力包括：2.1工程推理和问题解决，2.4个人能力和态度，2.5职业技能和道德；3.1多学科团队工作，3.2交流，3.3用一种外语交流；4.1外部和社会背环境。根据工程师的个人能力和兴趣，他们至少可以从事五种不同的职业类型。如下图：下图示出了这些职业类型以及对应的CDIO大纲部分。,CDIO教学大纲中隐含的职业工程师的职业生涯,当然，不可能有一个刚刚毕业的工程师就能成为这五个职业类型的专家，而且实际上，他们可能对任何一类职业都不行。现代工程实践的基本特征就是个人的角色要随时间而进行改变和不断进步。刚毕业的工程师应能够与其他不同职业类型的人打交道，并要培养成通才，以应对这些职业类型中的一个或多个不同组合的职业要求。,现代工程主旋律-创新和可持续性（Contemporarythemesinengineering-innovationandsustainability）根据工程师所需的知识和能力而制定的长期和稳定的CDIO教学大纲。同时，当代主题凸显了工程本身和工程教育的重要性。现在，创新和可持续发展的概念也属于当代主题这一范畴。这些主题在更高级的大纲标题中并不明显，但我们相信支持这些主题的知识和能力实际上已经在大纲中表现出来了。可持续发展1987年联合国世界环境与发展委员会所发表的布特兰报告书中经常使用的关于可持续发展的定义：“人类有能力实现可持续发展既满足当代人的需求，又不对后代的需求构成危害。”,实际上，CDIO大纲的4.4.6“多目标设计”部分就明确地参考了可持续性这一定义，大纲中关于环境的可持续发展设计就包括了产品、过程和系统设计这一目标。皇家工程院还将可持续性解释为：对以技术为核心、以社会为核心以及以生态为核心的这三方面内容进行建设性的融合。如果从这三方面的角度来看CDIO大纲，可以发现：大纲用4个第三层的主题内容讨论了适当发展和合理使用技术方面的问题，并用5个第三层的主题内容讨论了各种不同的环境问题，最后用